Σχετικά με το Phosphor Bronze - Αντοχή, Ιδιότητες και Χρήσεις
Ο μπρούτζος έχει διανύσει πολύ δρόμο από το να είναι ένα κράμα χαλκού και κασσίτερου, είναι τώρα μια πολύ ευρύτερη κατηγορία κραμάτων χαλκού που βρίσκουν ακόμα νέες χρήσεις σήμερα. Ωστόσο, η ποικιλομορφία των μπρούντζων μπορεί να κάνει την επιλογή υλικού δύσκολη, επομένως αυτό το άρθρο θα σας βοηθήσει να μετριαστεί λίγη από τη σύγχυση εξερευνώντας έναν τύπο μπρούντζου, τον φωσφορομπρούτζο. Εξετάζοντας τις φυσικές, χημικές και μηχανικές ιδιότητες του φωσφορικού μπρούντζου, αυτό το άρθρο στοχεύει να βοηθήσει τους ενδιαφερόμενους σχεδιαστές να προσδιορίσουν εάν αυτό το κράμα χαλκού είναι μια καλή επιλογή για το έργο τους. Αρχικά θα εξετάσουμε τη σύνθεση του φωσφορικού μπρούντζου, στη συνέχεια θα συζητήσουμε τα πλεονεκτήματα, τα μειονεκτήματα, τις μηχανικές του ιδιότητες και τέλος θα συζητήσουμε τις κοινές εφαρμογές για αυτό το χρήσιμο μέταλλο.
Φυσικές Ιδιότητες Χάλκινου Φωσφόρου
Μπορεί να είναι χρήσιμο να ανατρέξετε στο άρθρο μας σχετικά με τους τύπους μπρούντζων, προκειμένου να κατανοήσετε τα κοινά σημεία μεταξύ των κραμάτων χαλκού και των δημοφιλών εφαρμογών τους.
Παρακάτω, στο Σχήμα 1, είναι ένα ποιοτικό διάγραμμα που περιγράφει τη σύνθεση του φωσφορικού μπρούτζου:
Γράφημα πίτας αναπαράσταση της υλικής σύνθεσης του φωσφορικού μπρούντζου.
Εικόνα 1: Ποιοτική διάσπαση του φωσφορόχαλκου.
Σημειώστε ότι τα ποσοστά ψευδαργύρου, σιδήρου, μολύβδου και φωσφόρου που περιλαμβάνονται είναι απειροελάχιστα.
Βλέποντας το Σχήμα 1, μπορεί να είναι δύσκολο να καταλάβουμε γιατί ο φωσφορόχαλκος ονομάζεται έτσι όταν αποτελείται κυρίως από χαλκό και κασσίτερο ως κράμα. Αυτό συμβαίνει επειδή μόνο μια μικρή ποσότητα φωσφόρου, περίπου 0.03-0.035% κατά βάρος, χρειάζεται για να δώσουν σε αυτά τα κράματα τις μοναδικές τους ιδιότητες, όπως βελτιωμένη ροή, αντοχή στη φθορά και ακαμψία. Είναι επίσης γνωστά ως μπρούντζοι κασσίτερου, αλλά μια ορισμένη ποσότητα φωσφόρου υπάρχει πάντα για να θεωρηθεί πραγματικά μπρούτζος φωσφόρου. Με πυκνότητα περίπου 8,8 g/cm3, οι περισσότερες μορφές αυτών των κραμάτων ανταποκρίνονται σε θερμή, ψυχρή και θερμική επεξεργασία. Είναι εξαιρετικά ελαστικά, ανθεκτικά στην κόπωση και τη διάβρωση και μπορούν εύκολα να σχηματιστούν, να χυθούν και να συγκολληθούν. Η προσθήκη μολύβδου κάνει τους χαλκούς φωσφόρου πιο δυνατούς και ευκολότερους στη μηχανική κατεργασία, αλλά οι μπρούτζοι χωρίς φωσφόρο είναι επίσης ισχυροί και ανθεκτικοί από μόνοι τους. Χρησιμοποιούνται συχνότερα σε εφαρμογές ανθεκτικές στη διάβρωση, καθώς και σε άλλες εφαρμογές που απαιτούν ένα ελαστικό αλλά ανθεκτικό υλικό.
Αντίσταση και Αδυναμίες
Τα περισσότερα κράματα χαλκού φωσφόρου αντιστέκονται στον αποχρωματισμό και τη διάβρωση, καθιστώντας τα χρήσιμα σε ηλεκτρικούς αγωγούς και σε άλλα διαβρωτικά περιβάλλοντα. Είναι επίσης ανθεκτικά στην κόπωση, που σημαίνει ότι διατηρούν τη δύναμή τους σε πολλούς κύκλους φόρτωσης. Η προσθήκη κασσίτερου θα αυξήσει αυτή την αντίσταση καθώς και τη δύναμή του, ενώ η προσθήκη μολύβδου θα κάνει το φωσφορικό μπρούτζο, γνωστό στην καθομιλουμένη ως «φίλος του μηχανουργού» (κράμα COLPHOS 90 / C54400) επειδή ουσιαστικά δεν διακρίνεται από τα κράματα ορείχαλκου ελεύθερης κοπής. Τα περισσότερα κράματα αναπτύσσουν μια ελκυστική πατίνα παρουσία οξυγόνου, επομένως μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε διακοσμητικές εφαρμογές. Τα κύρια μειονεκτήματα του φωσφορομπρούτζου είναι πιθανώς η χαμηλότερη ηλεκτρική αγωγιμότητά του, καθώς ο φώσφορος μειώνει την ικανότητα του μετάλλου να μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα και την τιμή του. Η σκόνη και οι αναθυμιάσεις του μπρούτζου φωσφόρου είναι επίσης τοξικά όταν εισπνέονται, επομένως να είστε προσεκτικοί με το πορτοφόλι και τους πνεύμονές σας.
Μηχανικές ιδιότητες
Ο Πίνακας 1 παρακάτω δείχνει μερικές από τις μηχανικές ιδιότητες που σχετίζονται με τις χρήσεις και την αντοχή του φωσφορόχαλκου. Αυτή η ενότητα θα εξηγήσει συνοπτικά κάθε ιδιότητα και θα δείξει πώς κάνουν αυτό το κράμα χαλκού μοναδικό.
Αντοχή σε εφελκυσμό
380-450 MPa
55100-65260 psi
Μέτρο ελαστικότητας
110 GPa
16000 ksi
Ηλεκτρική αγωγιμότητα (σε σχέση με τον καθαρό χαλκό)
15%
Σκληρότητα (Rockwell B)
75-85
μηχανική ικανότητα
20-100%
Πίνακας 1: Περίληψη Μηχανικών Ιδιοτήτων Φωσφόρου Χάλκινου - Λάβετε υπόψη ότι αυτός ο πίνακας είναι μια γενική περίληψη και όχι μια λίστα των πραγματικών ιδιοτήτων όλων των φωσφορικών μπρούντζων.
Η αντοχή εφελκυσμού είναι μια τιμή τάσης που καθορίζει το σημείο στο οποίο ένα υλικό παραμορφώνεται πλαστικά. Είναι ένα κοινό μέτρο της αντοχής ενός υλικού σε μη διαρροή, καθώς οι τάσεις κάτω από αυτό το σημείο δεν θα κάμψουν ή θα τεντώσουν το κράμα (αν και υπάρχουν πάντα εξαιρέσεις). Είναι ένα χρήσιμο μέτρο για τους κατασκευαστές κατά τη μηχανική κατεργασία και σε εφαρμογές όπου το υλικό πρέπει να διατηρεί το σχήμα του χωρίς να διακυβεύεται η δομική ακεραιότητα. Ο φωσφορικός μπρούτζος έχει εντυπωσιακή αντοχή διαρροής που συναγωνίζεται ορισμένα κράματα αλουμινίου και ξεπερνά ακόμη και άλλους μπρούτζους, χάρη στην υψηλή αναλογία κασσίτερου και φωσφόρου. Όταν συνδυάζεται με τις καλές του ιδιότητες ελατηρίου, αυτό δημιουργεί ένα κράμα που είναι ισχυρό και κρατάει το δικό του.
Το μέτρο ελαστικότητας, ή το μέτρο του Young, περιγράφει την ικανότητα ενός υλικού να παραμορφώνεται ελαστικά, δηλαδή την ακαμψία του υλικού. Αντιθετικά, ένα υψηλότερο συντελεστή Young υποδηλώνει ένα πιο ελαστικό υλικό, αλλά αυτό δεν είναι ένα μέτρο "ελαστικότητας". Είναι ένα μέτρο της αντοχής του εσωτερικού υλικού και πόσο πιθανό είναι να επιστρέψει στο αρχικό του σχήμα υπό αυξημένη δύναμη. Επομένως, ένας υψηλός συντελεστής Young σημαίνει ότι το υλικό είναι γενικά ισχυρό επειδή δεν παραμορφώνεται πλαστικά υπό συνθήκες αυξημένου φορτίου. Ο φωσφορικός μπρούτζος έχει ένα αρκετά υψηλό μέτρο ελαστικότητας (σχεδόν το μισό από αυτό των περισσότερων χάλυβων), που δείχνει ότι δεν είναι τόσο ισχυρός όσο άλλα κράματα, αλλά μπορεί να κρατήσει το δικό του υπό μέτριες συνθήκες. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ο χαλκός φωσφόρου να είναι τόσο χρήσιμος για εργασίες σχηματισμού όσο και πιο δύσκολος στη μηχανική επεξεργασία, αλλά περισσότερο για αυτό αργότερα.
Ο φωσφορικός μπρούτζος έχει ηλεκτρική αγωγιμότητα περίπου 15% εκείνης του καθαρού χαλκού - οπότε γιατί να τον χρησιμοποιήσουμε σε ηλεκτρικές εφαρμογές όταν ο χαλκός μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό πολύ καλύτερα; Η απάντηση βρίσκεται στην καλή ισορροπία του φωσφορικού μπρούτζου μεταξύ της αντοχής στην κόπωση, της αντοχής στη διάβρωση και της ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Αν και δεν είναι ένα ξεχωριστό κράμα σε καμία από τις παραπάνω κατηγορίες, η ικανότητά του να είναι ανθεκτικό, ισχυρό και αγώγιμο σημαίνει ότι τα ηλεκτρικά εξαρτήματα που κατασκευάζονται από μπρούτζο φωσφόρου θα διαρκέσουν περισσότερο από τα ανάλογά τους χαλκού. Ως αποτέλεσμα, ο φωσφορόχαλκος έχει χρησιμοποιηθεί από καιρό ως υλικό για ηλεκτρικούς διακόπτες, συνδετήρες, συνδετήρες κ.λπ., επειδή μπορεί να αντέξει τα μηχανικά και ηλεκτρικά φορτία καλύτερα από το τυπικό του χαλκού.
Η σκληρότητα του υλικού είναι πάντα σχετική με κάποιο τυπικό σκληρόμετρο και οι διάφορες κλίμακες σκληρότητας παρέχουν μια συγκριτική λίστα υλικών στην ίδια γενική κατηγορία/υλικό. Ο Πίνακας 1 δείχνει τις τιμές σκληρότητας στην κλίμακα Rockwell B, η οποία χρησιμοποιείται συνήθως για την περιγραφή της σκληρότητας των κραμάτων χαλκού και άλλων μετάλλων. Τα υλικά με χαμηλότερες τιμές σκληρότητας είναι γενικά πιο μαλακά, που σημαίνει ότι γρατσουνίζονται, βαθουλώνουν και παραμορφώνονται τοπικά στην επιφάνεια, ενώ υψηλότεροι αριθμοί υποδεικνύουν υλικά που είναι δύσκολο να γρατσουνιστούν (σκεφτείτε βοριοπυριτικό γυαλί, κεραμικά κ.λπ.). Για αναφορά, ο χαλκός έχει σκληρότητα Rockwell B περίπου 50, επομένως είναι σαφές από τον Πίνακα 1 ότι ο φωσφορόχαλκος είναι πιο ανθεκτικός στις γρατσουνιές από την καθαρή του μορφή. Επίσης, δεν είναι τόσο ισχυρό όσο άλλα, πιο σκληρυνόμενα κράματα όπως ο χάλυβας, τα οποία μπορεί να είναι καλύτερα ή χειρότερα ανάλογα με την εφαρμογή. Για παράδειγμα, εάν η χάραξη και η επίστρωση αποτελούν μέρος της εφαρμογής, ο φωσφορομπρούτζος μπορεί να είναι μια καλή ισορροπία μεταξύ αντοχής και μηχανικής κατεργασίας, αλλά αυτό εξαρτάται από τον συγκεκριμένο τύπο κράματος και τη διαδικασία ενίσχυσης.
Όπως η σκληρότητα, η κατεργασιμότητα είναι ένα συγκριτικό μέτρο της ικανότητας επεξεργασίας ενός υλικού και αναφέρεται πάντα σε κάποιο τυπικό υλικό μηχανικής κατεργασίας (για μπρούτζους, αυτό το υλικό είναι UNS C36000 – Δωρεάν κοπή ορείχαλκου). Αυτό το τυπικό υλικό έχει βαθμολογία μηχανικής κατεργασίας 100%, που σημαίνει ότι είναι εύκολο στη μηχανή και δημιουργεί λίγα προβλήματα σε ένα κατάστημα. Κράματα με βαθμολογίες κάτω του 100% είναι πιο δύσκολο να κατεργαστούν σε σύγκριση με αυτήν την αναφορά, και αυτό συμβαίνει συχνά με τον φωσφορομπρούτζο. Ωστόσο, ο φωσφορόχαλκος μπορεί να κατασκευαστεί ειδικά για την αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων (όπως και τα περισσότερα άλλα κράματα, ανάλογα με την πηγή σας). Ο μπρούτζος φωσφόρου μπορεί να αγοραστεί με υψηλότερη περιεκτικότητα σε μόλυβδο, η οποία θα εξαλείψει τη δυσκολία κατεργασίας του καθώς γίνεται πιο αυτολιπαινόμενο. Έτσι, ενώ τα περισσότερα κράματα χαλκού φωσφόρου είναι κάπως δύσκολο να αλέσουν, αυτό το ζήτημα μπορεί να αντιμετωπιστεί επιλέγοντας το σωστό κράμα.
Εφαρμογές Φωσφόρου Μπρούτζου
Ο φωσφορικός μπρούτζος χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικά εξαρτήματα εδώ και πολλά χρόνια, αλλά εξακολουθεί να βρίσκει νέες χρήσεις λόγω της τεχνολογικής προόδου και της ανάγκης για πιο εξειδικευμένα υλικά. Παρακάτω είναι μια λίστα εφαρμογών phosphor bronze, αλλά να ξέρετε ότι έχει πολλές χρήσεις εκτός αυτής της λίστας και νέες εφαρμογές βρίσκονται ακόμα υπό ανάπτυξη.
Μερικές κοινές εφαρμογές περιλαμβάνουν:
Ελατήρια
Δοχεία, δακτύλιοι και ρουλεμάν
Ράβδοι συγκόλλησης
Κοσμήματα
Χορδές κιθάρας
Οδοντικές γέφυρες
Κι αλλα.
